Крупномасштабная интеграция солнечной энергии в электрическую сеть представляет собой ряд серьезных технических проблем. В качестве прерывистого источника энергии солнечная энергия требует либо аккумулирования энергии, либо резервного питания на основе топлива, чтобы обеспечить диспетчерскую энергию (т.е. энергию, которая доступна по требованию).
Перспективными для производства электроэнергии являются солнечные фотоэлектрические (PV) технологии, особенно с учетом снижения затрат в последние годы. Однако из-за их переменной мощности широкое распространение фотоэлектричества без хранения может привести к проблемам надежности сети, что означает, что в качестве резервного источника энергии должны использоваться быстрорастущие (и зачастую неэффективные) технологии достижения пика ископаемого топлива.
В качестве альтернативы для повышения надежности и диспетчерской способности сети может быть использована дорогая технология аккумуляторных батарей. Концентрированная солнечная энергия (CSP) предлагает особые преимущества в качестве возобновляемого источника энергии благодаря возможности быстрого накопления энергии. CSP, также известный как солнечная тепловая энергия, включает в себя нагрев рабочей жидкости с использованием концентрированного солнечного света.
Затем нагреваемая жидкость может использоваться с обычным оборудованием для производства электроэнергии (например, турбинами, генераторами и т.д.). Использование солнечного тепла в качестве источника энергии в CSP делает экономичное аккумулирование энергии возможным, так как тепло можно легко аккумулировать с помощью аккумулирования тепловой энергии (TES), что требует нагрева аккумуляторного материала и его удержания в изолированном резервуаре.
CSP также выгоден благодаря своей способности к гибридизации. Помимо сбора тепловой энергии, в балансе станции может использоваться обычное оборудование для производства электроэнергии, что позволяет легко комбинировать его с другими источниками энергии, используя синергетические методы, в том числе следующие:
- Снижение капитальных затрат за счет совместного использования оборудования несколькими источниками энергии
- Повышение диспетчерской способности за счет сочетания возобновляемой энергии и диспетчерской энергии
- Увеличение использования мощностей генерирующего оборудования - повышение надежности
- Возможности для гибкой эксплуатации
- Синергия между технологиями, улучшенная за счет оптимизации проектирования и эксплуатации.
Реализация этих преимуществ требует учета гибридного источника энергии, конфигурации гибридных установок, выбора технологии солнечных коллекторов, местоположения и многих других. Экономика и техническая осуществимость играют ключевую роль в выборе наилучших технологий для гибридизации классифицировали гибридные системы CSP по синергии с гибридным источником энергии.
Слабо синергетические гибридные системы имеют минимальную общую инфраструктуру, и работа этих двух источников энергии не зависит друг от друга. Гибридная синергия средней мощности возникает, когда компоненты обеих систем физически соединены и совместно используют основное оборудование (например, паровую турбину).
В легких и средних синергетических системах компонент CSP играет незначительную роль и не может работать без компонентов гибридного узла для генерации энергии; с другой стороны, гибридный узел может работать независимо от технологии CSP. Как правило, эти системы имеют низкую долю солнечной энергии (доля энергии, получаемой от солнечной энергии), поскольку солнечное отопление является чисто вспомогательным.
Гибриды, обладающие синергетическим эффектом, имеют общее основное оборудование и более высокую долю солнечной энергии, что делает компонент КГУ более важным для работы станции. Гибридизация может потребовать конкурирующих энергетических технологий и сделать их взаимодополняющими. Однако реализация преимуществ гибридизации требует тщательного рассмотрения технической осуществимости, а также экономических и экологических выгод предлагаемой системы.
Гибридизация с углем
Гибридизация солнечной тепловой энергии с углем имеет много преимуществ. Уголь является обильным, широко распространенным и недорогим источником энергии. Таким образом, она предоставляет много возможностей для модернизации с использованием дополнительной солнечной тепловой энергии.
Угольные электростанции имеют несколько точек закачки солнечного тепла, такие как предварительный подогрев воды котла, прямая выработка пара, подогрев воздуха в котле и регенерация растворителей при удалении CO2 после сжигания. Уголь также является диспетчерским источником топлива для обеспечения надежности, в то время как тепловая энергия солнца может снизить общий выброс CO2 на станции. Гибридная установка с углем может снизить общую стоимость установки КЧУ, при этом одно исследование показало, что гибридная установка будет составлять только 72% от стоимости автономной солнечной станции и будет производить на 25% больше электроэнергии.
Генерация солнечного пара
Возможно, наиболее очевидный выбор для интеграции солнечной энергии в производство электроэнергии на угле - выработка пара для типичного цикла Рэнкина. Параллельно с котлом, работающим на угле, параллельно используется энергетическая башня на основе расплавленной соли в качестве дополнения к своему теплу.
Такая конструкция показала относительно низкую долю солнечной энергии (определяемую как доля энергии, поступающей в энергетический цикл от солнца) с максимальным коэффициентом полезного действия 6,11%, но продемонстрировала высокий коэффициент полезного действия от солнца к электричеству 27,8%, тогда как типичная автономная параболическая установка может достичь примерно 15-20%.
Пар котла также может быть дополнен прямой выработкой пара (где пар создается непосредственно в солнечном коллекторе) из линейной или точечной концентраторной (центральный приемник или параболическая посуда) системы. Был достигнут компромисс между сокращением энергопотребления (количественно выраженным экономией угля) и затратами, указывая на то, что экономика по-прежнему отдает предпочтение утилизации угля перед солнечной энергией, когда сокращение выбросов углерода не стимулируется.
Параллельно с угольным энергоблоком парогенератор вырабатывал пар и электроэнергию с солнечно-электрическим КПД 22,7%. В этой конфигурации для обеспечения теплом парогенератора через теплообменник использовался теплоноситель (предположительно, термомасло).
Перспективным методом эффективного использования солнечной энергии является производство солнечного пара для увеличения выработки электроэнергии из угля. Хорошо разработанная параболическая технология солнечных коллекторов обычно ограничивается температурой ниже 400 °C, что ограничивает эффективность энергоцикла.
Благодаря гибридизации с углем, солнечное тепло может собираться и использоваться для производства пара при таких температурах, но может полагаться на сжигание угля для достижения температуры перегрева свыше 500 °C для повышения эффективности парового цикла. Одной из технических проблем этой концепции является то, что добавление солнечного пара к существующим угольным котлам может привести к дисбалансам в паровом цикле.
Например, высокий процент пара, подаваемого солнечной энергией, приведет к снижению скорости сжигания угля и ограничит выработку угля. Снижение объемов сжигания угля приведет к уменьшению количества тепла, пригодного для перегрева.
Солнечная котельная
Другим способом добавления солнечного тепла в угольную станцию является предварительный нагрев воды котла. Такая конфигурация позволяет собирать тепло при более низких температурах, что снижает потери тепла солнечного поля, пропорциональные температуре, и позволяет избежать использования фазовых изменений в солнечном коллекторе (прямая выработка пара) или теплообменнике типа HTF на пар.
Использование солнечного подогрева воды котла на угольной электростанции приведет к увеличению мощности электростанции, поскольку в противном случае предварительный подогрев воды, вероятно, будет осуществляться путем извлечения ценного пара из турбин для смешивания с водой, что, в свою очередь, приведет к снижению выработки электроэнергии. Этот метод позволяет снизить тепловые потери в коллекторном поле, работая при более низкой температуре (около или ниже 300 °C).
Сжигание угля в котле затем используется для получения перегретого пара и обеспечения более эффективного парового цикла. Одним из преимуществ такой конфигурации является то, что сжигание угля может быть использовано для обеспечения гибкости системы, чтобы помочь станции поддерживать стабильность при колебаниях доступности солнечной энергии или переходном спросе и может не требовать больших систем хранения.